Призрачный спин. По ту сторону яви.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СУЩЕСТВОВАНИЯ ТЁМНОГО СОСТОЯНИЯ: Физик Джон Никол использует такое оборудование, как рефрижераторный холодильник, для изучения квантовых систем. Недавно он предоставил первые прямые доказательства существования квантового состояния, называемого тёмным состоянием ядерного спина. Это открытие может привести к созданию более эффективных квантовых компьютеров и технологий. Источник.

Уже без малого 30 лет мы предвкушаем революцию в вычислительных технологиях, которую нам сулят квантовые компьютеры. Потенциальная способность этих машин выполнять столь сложные вычисления, что многие из них не просто трудно, а вообще вряд ли возможно произвести на традиционных архитектурах, держит нас в состоянии перманентного «праздника ожидания праздника». В 1998 году, когда в США появился первый квантовый компьютер (всего на два кубита), похоже, весь научный мир заболел этой надеждой и азартом первым осуществить мечту чуть ли ни всего человечества. Однако гонка всё ещё продолжается, так неужели воз и ныне там?

Отнюдь. Аж 443 кубитами оперирует Quantum Condor — самая мощная на сегодня квантовая машина IBM, работающая исключительно в лабораторных условиях. Судя по дорожной карте от 2020 года, которую сама компания назвала амбициозной, на текущий год планировалось выпустить компьютер Kookaburra, мощностью уже до 4158 кубитов, а на следующий — так вообще аппетиты разогрели оптимизм до масштабов в 10 и даже 100 тысяч кубитов.

Сегодня свою дорожную карту по развитию квантовых вычислений от 2020 года сама компания IBMпризнаёт несколько амбициозной. Источник.

Одним из основных препятствий является нестабильность самих квантовых состояний, которые выступают носителями кубитов. Шум окружающей среды может легко их разрушить, приводя к ошибкам в системе. Из попыток преодолеть эту нестабильность и состоит основная часть фундамента мировой гонки за квантовыми вычислениями.

Команда исследователей из Рочестерского университета сделала важный шаг к уменьшению этого недуга квантовых систем. Учёные сосредоточились на весьма специфическом и даже неуловимом явлении, называемом тёмным состоянием ядерного спина. Хотя учёные давно подозревали, что оно может существовать, однако предоставить прямые доказательства этого до сих пор не получалось.  

«Непосредственное подтверждение существования тёмного состояния и его свойств не только подтверждает теоретические предсказания, сделанные десятилетия назад, но и открывает возможности для разработки более совершенных квантовых систем», — говорит доцент факультета физики и астрономии Рочестерского университета Джон Никол.

Данные исследования недавно опубликованы в журнале Nature Physics. Хотя первая предварительная статья вышла ещё в конце мая 2024 на arXiv, во время завершения работы над которой команда узнала «о связанных с ней исследованиях тёмных состояний ядерного спина в качестве квантовых запоминающих устройств». Там команда впервые рассказала об обнаружении «формирования тёмного состояния ядерного спина в двойной квантовой точке кремния, управляемой затвором».

Что ты такое?

Квантовые биты на основе кремния часто создаются путём улавливания отдельных электронов в определяемых электрическими затворами квантовых точках, которые представляют собой подобие крошечных полупроводниковых частиц, удерживающих одиночные электроны, чей спин используется для хранения информации. Однако не только с помощью спиновых состояний электронов может храниться квантовая информация. Ядра окружающих атомов также обладают спиновыми степенями свободы, но они словно борются с электронно-спиновыми кубитами за право быть главным, чем и вызывают разрушение последних.

Тёмное состояние ядерного спина — это особое квантовое состояние, при котором ядро атома словно бы «скрывается» от внешнего мира. В этой ситуации крошечные магнитные свойства атомных ядер — их спины — выстраиваются и синхронизируются таким образом, что не влияют на спин электрона. Такое положение вещей позволяет последнему оставаться более стабильным.

Объясняя это явление, авторы приводят такую метафору: «представьте, что вращение электрона — это солист, который пытается выступить, а окружающие его атомные ядра — это оркестр. Если музыканты в оркестре не синхронизированы и играют с разной скоростью и громкостью, это может сбить солиста с толку. Но если музыканты в оркестре синхронизированы и играют идеально, их звук может слиться с фоном, и музыка солиста будет звучать чисто и спокойно».

Запрягаем.

Чтобы выровнять спины ядер и создать условия для формирования их тёмного состояния, был применён метод динамической ядерной поляризации. Процедура, во время которой электроны в квантовой точке приводят ядра в полупроводнике в состояние, в котором они не взаимодействуют друг с другом, возымела эффект, как и было предсказано. Также в ходе прямых измерений воздействия поляризации команда обнаружила, что по мере становления тёмного состояния спины электронов и ядер всё меньше влияют друг на друга. Как и ожидалось, электронно-ядерная связь быстро ослабевает в тёмном состоянии, и само это состояние зависит от синхронизированной прецессии ядерных спинов.

А если уж это тёмное состояние значительно увеличивает время жизни электронных спиновых состояний, то его можно использовать не только в качестве квантовой памяти или ресурса для квантового зондирования, но также и попробовать в дальнейшем реализовать повышение поляризации ансамблей ядерных спинов.

«Благодаря снижению уровня шума этот прорыв позволит квантовым устройствам дольше хранить информацию и выполнять вычисления с высокой точностью», — говорит Никол.

Плюс ко всему, тёмные состояния ядерного спина оказались очень стабильны. Это означает, что их можно использовать для долгосрочного хранения информации. Но главное, обнаруживая малейшие изменения в магнитных полях, температуре или давлении, они способны невероятно повысить точность измерений.

Вообще, работа обладает множеством перспектив. Квантовое зондирование, квантовая память и, конечно, квантовые вычисления — всё это области потенциального применения этих «беглецов от внешнего мира». Однако первое, что приходит на ум относительно пользы таких возможностей — это гигантский скачок разрешающей способности средств медицинской визуализации и точность навигации.

Ядерные спины широко распространены в системах конденсированных сред, и возможность управлять большими их ансамблями привела ко многим технологическим прорывам. Например, ядерный магнитный резонанс оказал огромное влияние на науку и медицину. И раз уж эти ансамбли часто приводят к потере состояния суперпозиции полупроводниковыми кубитами, основанными на электронных спинах, найденная возможность точно управлять этими ядрами принесёт значительную пользу всем сферам квантовых вычислений. Поэтому тот факт, что тёмное состояние ядерного спина было обнаружено в кремнии, делает это открытие ещё более интересным.

«Кремний уже широко используется в современных технологиях, а это значит, что когда-нибудь тёмные состояния ядерного спина можно будет интегрировать в будущие квантовые устройства», — заключает Никол.

АРМК, по материалам Университета Рочестера.